Vědci z FZU v rámci široké mezinárodní spolupráce s Dr. Pavlo Zubkem z University College London objevili, že v supermřížkách tvořených vrstvami feroelektrického materiálu a tenkých kovových mezivrstev se elektrické dipóly uspořádávají do neobvyklé a pravidelné doménové struktury, která má mimořádné dielektrické vlastnosti.
Koncept pravidelného uspořádání tvoří podstatu fyziky pevných látek. Atomy se uspořádávají do pomyslné pravidelné mřížky a vytváří tak krystaly, jejichž uspořádání vede k fascinujícím a technologicky užitečným vlastnostem. Například ve feroelektrických krystalech vytváří maličká vysunutí iontů elektrické dipóly, které se uspořádávají a vytváří tak oblasti s makroskopickou elektrickou polarizací. Orientaci této polarizace, a tedy i vysunutí atomů, je možné překlopit vnějším elektrickým polem. Toho se například využívá ve feroelektrické RAM paměti, v níž orientace polarizace v části krystalu nese informaci bitu.
V současnosti precizní fyzikální depozice z plynné fáze umožňuje vytvářet uměle uspořádané materiály, takzvané supermřížky, které jsou tvořeny velmi tenkými vrstvami různých pravidelně se opakujících krystalických materiálů. Takto uměle vytvořené vrstevnaté krystaly, jež kombinují strukturně podobné materiály s rozdílnými materiálovými vlastnostmi, mohou vést ke vzniku nových a neočekávaných jevů. Například v supermřížkách z periodicky se opakujících feroelektrických a dielektrických vrstev o tloušťce několika nanometrů se elektrické dipóly často uspořádávají do velmi komplexních doménových struktur vytvářejících proužky, prstence či spirály nanoskopických rozměrů. Ukazuje se, že odezva těchto doménových struktur na působení vnějšího elektrického pole je často velmi neobvyklá a hlavně citlivá, což by mohlo vést k šetření elektrické energie spotřebovávané dnes a denně biliony tranzistorů v elektronice.
Schématické zobrazení uspořádání elektrické polarizace v tzv. doménově uspořádaném superkrystalu a jeho charakteristická rentgenová difrakce [1].
V odborném článku [1] opublikovaném v Nature Materials tým z FZÚ pod vedením Jiřího Hlinky ve spolupráci s kolegy z Velké Británie, Francie a Irska objevil, že v některých supermřížkách složených z feroelektrických vrstev materiálu PbTiO3 a tenkých mezivrstev z kovových nebo dielektrických oxidů, se elektrické dipóly uspořádávají do neobvyklé, ale pravidelné trojrozměrné doménové struktury, a vytváří tak v podstatě „doménově uspořádaný superkrystal“. Pod vlivem vnějšího elektrického pole malá posunutí rozhraní mezi doménami způsobují velké změny v elektrické polarizaci, a tím je dielektrická odezva doménově uspořádaného superkrystalu obrovská.
Možná ještě zajímavějším aspektem doménově uspořádaných superkrystalů je jejich velmi nehomogenní doménová struktura (viz obrázek). Ta je spojena s obrovskou deformací krystalové mřížky feroelektrické vrstvy, což způsobuje velmi velké lokální zakřivení tenkých mezivrstev. Toto zakřivení modifikuje lokální strukturu mezivrstev a může vést k zajímavým změnám v jejich vlastnostech. Důležitým aspektem je, že toto zakřivení je možné ladit elektrickým polem a jeho periodicitu cíleně navrhnout, protože je určená šířkou feroelektrické vrstvy. Takováto supermřížka je tak ideálním systémem pro výzkum jevů indukovaných zakřivením mezivrstvy, která může být připravena z široké škály izolačních, vodivých a magnetických materiálů.
Reference
[1] M. Hadjimichael, Y. Li, E. Zatterin, G. A. Chahine, M. Conroy, K. Moore, E. N. O’ Connell, P. Ondrejkovic, P. Marton, J. Hlinka, U. Bangert, S. Leake, and P. Zubko, Metal–ferroelectric supercrystals with periodically curved metallic layers, Nat. Mater. (2021).
Kontaktní osoba: Jiří Hlinka, Oddělení dielektrik